07. září 2016 00:38

Principy filtrace olejových a emulzních mlhovin

Problém tvorby emulzního a olejového aerosolu vznikl teprve v sedmdesátých – osmdesátých letech minulého století, kdy obráběcí stroje začaly být osazovány vřeteny s vysokými otáčkami, systémy chlazení s vyššími pracovními tlaky a s nástupem nástrojů s vnitřním chlazením. To vyvolalo nejprve potřebu plného krytování obráběcích strojů a následně nezbytnost odsávání a filtrace vnitřního prostoru stroje, protože aerosol (v podstatě velmi lehká a teplá vzdušnina) měl tendenci unikat všemi otvory ze stroje ven a nejvíce přímo ohrožoval pracovníka, který po ukončení pracovního cyklu stroje musel otevřít dveře stroje, aby mohl vyměnit obrobek.

Nejprve se proto pro odsávání a filtraci aerosolů začaly používat do té doby známé filtrační principy, běžně používané v jiných oblastech průmyslu pro filtraci prachu a jiných látek – především kaskádové filtrační systémy s několika pasivními filtračními elementy a dále pak (především v německy mluvících zemích) elektrostatické filtry. Brzy se však objevily další principy – především dnes nejrozšířenější dynamické separátory (odstředivé filtrační jednotky) a filtrační systémy s aktivními kazetami.

Filtrační systémy s pasivními filtračními elementy

Pod tímto pojmem si představme filtrační systém, který je složen z různých filtračních elementů, kterými postupně znečištěný vzduch prochází. Schéma podobného filtračního systému je následující:

Znečištěný vzduch postupně prochází několika filtračními stupni, z nich některé mohou být omyvatelné. První stupeň zachytává největší částice, poslední stupeň – obvykle tzv. HEPA filtr – je určen pro částice nejmenší. Uvedený systém má zásadní problém – je z hlediska údržby velmi náchylný na disciplínu obsluhy a provozně nákladný. Jednotlivé pasivní elementy se postupně zanáší a tím klesá jejich propustnost. V určitý okamžik již ventilátor nedokáže překonat odpor zanesených prvků a průtok vzduchu klesá. Pokud v tento okamžik neprovede pracovník údržby vyčištění nebo výměnu filtračních elementů, může dojít až k úplnému zablokování filtračního zařízení. Z uvedených skutečností vyplývá, že tento princip má nízkou pořizovací cenu, ale provozní náklady jsou vysoké – a čím je odsávaná vzdušnina komplikovanější (čím více obsahuje submikronových částic), tím jsou náklady vyšší.

Elektrostatické odlučovače

V elektrostatickém odlučovači prochází kontaminovaná vzdušnina nejprve jedním nebo dvěma mechanickými předfiltry, které zachytí největší nečistoty. Poté částice prolétávají přes vysokonapěťovou ionizační komoru (cca 15 000–20 000 voltů), kde získají kladný náboj. Z ionizační komory nalétají do sběrné komory, kde díky získanému náboji během průletu ulpívají na sběrných lamelách. Schéma činnosti elektrostatického filtru je uvedeno níže.

Elektrostatické odlučovače jsou již poměrně sofistikovaná technická zařízení, která (díky malému odporu filtračního mechanismu) způsobují jen malé tlakové ztráty a také nejsou příliš energeticky náročná. Účinnost elektrostatických odlučovačů je velmi vysoká za předpokladu, že sběrné lamely jsou čisté. Pokud se však lamely pokryjí vrstvou částic, účinnost elektrostatického odlučovače výrazně klesá. Jakmile je navíc překročeno určité množství zachycených částic, může docházet ke vzniku oblouku a k jiskření, jehož přímým důsledkem je tvorba zdraví škodlivého ozonu.

Z těchto důvodů musí být elektrostatické odlučovače vybaveny ne právě jednoduchým systémem sledování zanesení sběrných lamel s odpovídající indikací a musí být často a důkladně čištěny. Je třeba zdůraznit, že i čištění sběrných lamel je poměrně složité – hmota, která na nich ulpívá, je podobná např. napečenému oleji po grilování a k jejímu odstranění je nutná tlaková voda a rozpouštědlo, protože usazeniny mají charakter olejových látek. Je tedy nutno přihlížet i ke správě kontaminované vody, použité pro čištění, která rovněž zatěžuje životní prostředí.

Elektrostatické odlučovače jsou nezastupitelné tam, kde se jedná o separaci suchých prachových částic velmi malých rozměrů cca 0,1–1 mikrometru. Bez problémů též pracují na čistých olejových aplikacích, a to až do koncetnrací okolo 15–20 mg/m³. S ohledem na dlouholetou tradici v těchto oblastech nasazení byly vyvinuty zařízení i pro eliminaci průmyslového aerosolu, kde ale s ohledem na svou vyšší technickou složitost a nároky na údržbu trpí mnoha neduhy, zejména při aplikacích odsávání emulzního aerosolu (přítomnost vody v blízkosti vysokonapěťových komponent představuje značné riziko, filtrace čistě olejové mlhoviny nebývá tak problematická).

Problémem elektrostatických odlučovačů jsou také vzdušniny, kde je koncentrace částic vyšší než 20 mg/m³. Pro dosažení vysoké účinnosti elektrostatického odlučovače – tedy pro to, aby částice měla čas zachytit se na sběrné lamele, totiž musí být splněny zejména následující podmínky:

• relativně nízká rychlost proudění vzduchu,
• dostatečně dlouhá dráha letu ve sběrné komoře,
• dostatečná velikost částice – u těch nejmenších (a bohužel nejproblémovějších) převažuje vliv proudění vzduchu nad přitažlivostí, vyvolanou el. nábojem.

Čím vyšší je koncentrace submikronových částic v odsávané vzdušnině, tím obtížnější je výše uvedených podmínek dosáhnout. Řešením může být odlučovač se dvěma nebo více sběrnými komorami, ale pro dosažení optimální účinnosti u náročnějších typů vzdušnin by zařízení muselo být již značně velké. Pro aplikaci na lehkých aerosolech je elektrostatický filtr příliš nákladný a náročný na údržbu a v této kategorii dnes existují levnější a spolehlivější principy – proto podíl elektrostatických odlučovačů na celkovém počtu aplikací spíše klesá.

Nicméně – elektrostatické odlučovače jsou nezastupitelné tam, kde se jedná o separaci suchých prachových částic velmi malých rozměrů cca 0,1–1 mikrometru. Bez problémů obvykle též pracují na aplikacích, chlazených čistým olejem, a to až do koncentrací okolo 15–20 mg/m³. Velmi zajímavé je jejich použití pro celostní dočišťování vzduchu (filtrační stěny s velkým objemem průtoku), protože elektrostatický princip likviduje bakterie a viry.

Na obrázku vpravo je uvedena celostní filtrační stěna BRISTOL s kapacitou přes 30 000 m³/hod (celková kapacita je díky modulárnímu principu prakticky neomezená).

Dynamické odstředivé separátory

Odstředivé odlučovače jsou v současné době pravděpodobně nejrozšířenějším a nejpoužívanějším principem odsávání a filtrace aerosolů v kovoprůmyslu. Jsou malé, lehké, nenáročné na údržbu, cenově přijatelné a v oblasti typických aerosolů s koncentrací do 10 mg/m³ dosahují velmi dobré účinnosti. Existuje celá řada výrobců, vedoucím výrobcem v oboru je zřejmě britská firma FILTERMIST International Ltd.

Odstředivé odlučovače jsou postaveny na principu separace díky využití rozdílných hmotností částic chladiva a vzduchu, které fakticky aerosol tvoří.

Uvnitř odlučovače rotuje velkou rychlostí separační buben, který nasává pomocí vnitřních zakřivených lopatek kontaminovaný vzduch. Při nárazu částic na lopatky bubnu dochází k vlastnímu efektu oddělení molekul vzduchu a částic použitého média.

Odloučené medium pak prochází technologickými vložkami, ve kterých se ultrajemné submikronové částice opět slučují do kapek větší velikosti a hmotnosti a ty pak prochází perforací bubnu na vnitřní plochu vnějšího pláště odlučovače. Zde vlivem proudění vzduchu odloučené medium již ve formě kapaliny stoupá až do sběrné drážky, odkud je pak odváděno odpadní hadicí na libovolné místo podle potřeby.

Zmiňované technologické vložky tedy nemají za cíl odloučené medium zachytávat jako klasický pasivní filtrační prvek, pouze napomáhají procesu separace. Dalším důvodem použití těchto vložek je snížení hladiny hluku, který je vytvářen proudícím vzduchem. Tyto vložky (čtyři kusy ve vlastní separační komoře a další dvě zvukově izolační vložky na výfuku z odlučovače) představují jediný spotřební materiál, který je potřeba podle potřeby vyměňovat. Vzhledem k tomu, že se nejedná o elementy, zachytávající odloučené medium, je jejich životnost ve většině aplikací delší než jeden rok.

Zásadní výhodou dostředivých odlučovačů je právě jejich poměrně rovnoměrná a stálá účinnost. Při porovnání dlouhodobé účinnosti odstředivého odlučovače a kaskádového filtru s pasivními prvky nebo elektrostatického separátoru získáme graf, který je znázorněn vpravo. Zatímco odstředivý odlučovač a systém s aktivními prvky (viz dále) za normálních podmínek vykazuje jen nepatrně klesající účinnost, zbývající dva principy ve své účinnosti značně kolísají – spodní hroty červené linie představují okamžik, kdy je nutná výměna pasivních filtračních komponent nebo provedení zásadní údržby.

Příklady aplikací odstředivých odlučovačů:

Filtrační věže s aktivními filtry

Někteří výrobci využívají princip kaskádové filtrace, jehož výhodou je možnost sestavení filtračních jednotek s obrovskými kapacitami, a zároveň používají speciální typy aktivních filtračních prvků – tedy takové elementy, které se po dosažení určitého stupně nasycení začnou samovolně nebo nuceně čistit. Mezi ně především patří švédská firma ABSOLENT AB, která se zabývá vývojem a výrobou filtračních věží pro nejtěžší aplikace, tedy pro vzdušniny, které jsou složeny převážně ze submikronových částic a s koncentracemi až 150–200 mg/m³ a více. Tyto vzdušniny produkují nejtěžší procesy obrábění, procesy kalení, tepelného zpracování, indukčního předehřívání silně olejem konzervovaných součástí apod.

Každá filtrační věž ABSOLENT je vybavena prvním a druhým filtračním stupněm – aktivní kazetou, která je složená ze skládaného filtračního rouna, neseného kovovými lamelami. Toto rouno se sestavuje vždy z několika různých vrstev a navrhuje se tak, aby přesně odpovídalo charakteru odsávané vzdušniny.

Jakmile začne filtrační věž odsávat vzdušninu, savý materiál filtračního rouna začne absorbovat částice aerosolu. Po dosažení určité úrovně nasáknutí se ale v rounu začnou částice samovolně slučovat do kapek a přirozeně stékat do sběrné nádrže. Díky tomuto principu samodrenáže zůstává aktivní kazeta stále průchozí a nehrozí zablokování průchodu vzduchu přes celou filtrační kaskádu věže. Aby životnost VŠECH filtračních elementů byla dlouhodobě vyrovnaná, jsou filtrační věže ABSOLENT navrženy tak, aby první filtrační kazeta zachytila až 80 % všech částic odsávané vzdušniny, druhá filtrační kazeta cca 18,5 % částic tak, aby do finálního HEPA filtru (třetí stupeň filtrace) vstupovala jen nepatrná zbývající část těch nejjemnějších částic. V tom, jak je vzájemně vyladěna účinnost jednotlivých filtračních stupňů, je koncept filtračních věží ABSOLENT pozoruhodný a to je také důvodem schopnosti dlouhodobého bezúdržbového provozu.

Díky použití aktivních filtračních kazet se schopností samočištění je životnost těchto elementů velmi dlouhá, často až několik roků. ABSOLENT je také pravděpodobně jedinou společností, která dává minimálně roční záruku na zcela bezúdržbový provoz bez ohledu na počet pracovních hodin (žádný servis, žádný spotřební materiál – vše v režimu 24/7).

www.wemac.cz